CN102056632A - 用高压清洁器和经水解的水进行消毒 - Google Patents

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Abstract

借助于高压清洁装置和电解发生器，在使用经电解的冷水或温水的情况下，借助于氧化性自由基对表面、材料和物品进行无化学品和残余物地清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法和技术方案，其特征在于，该方法把高压与从含有盐离子的水电解产生的氧化性自由基结合，在最低35ppm和更高的总自由基浓度下，对表面、材料和物品不仅能够进行清洁，而且还能够消毒，并能够借助于冷氧化，以超快过氧化的形式，达99.9％地消灭微生物诸如病毒、革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、酵母菌、真菌、藻类和单细胞生物等，而且不在微生物或病原体中形成抗性。

Description

用高压清洁器和经水解的水进行消毒
技术领域
本发明涉及一种借助于高压清洁装置、在使用经电解的冷水或温水的情况下、借助于氧化性自由基对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化(Hygienisierung)、消毒和气味中和的新方法。
背景技术
直至现在，表面、材料和物品只能借助于高压清洁装置使用化学产品和消毒剂或用热水才能进行卫生清洁，这是费用昂贵的，此外，难以净化的含有化学品的废水对周围环境来说是巨大的负担，加重了污水处理厂的生物净化阶段的负担。
本新发明意在表明，借助于高压净化装置和使用经电解的水，利用氧化性自由基并由于超快过氧化，可以对表面、材料和物品进行净化、卫生化和消毒，而无需使用昂贵的对周围环境造成负担的、有毒的化学品和耗费能量的热水。
发明内容
引言
本发明的任务是给出一种新的成本有利、有效、对周围环境友好的没有生物和残余物的方法，用以借助于高压清洁装置和使用经电解的水，利用氧化性自由基，由于超快过氧化，对表面、材料和物品卫生地进行清洁和消毒。
引言
电解制造的氧化性水(EOW)
电解氧化水(EOW)或者化学活性水不以化学方式而以物理方式，通过氧化性自由基破坏微生物诸如病毒、细菌、真菌、酵母菌和单细胞生物。由于它的高的氧化还原电势(ORP)，“活性水”破坏病原体细胞壁膜。
病菌体受损(komprimitiert)，这导致细胞内部渗透性过载或氢过载。
受损的细胞膜使细胞膜之间的水传输得以增大，这导致细胞的氢泛滥，而且水的填充速度可能高于细胞的脱水速度。
这个事实导致细胞胀裂，或在几秒内细胞由于压力爆炸而死亡。
因为这涉及的是物理破坏原理，可以论证在病原体上不会产生抗性。
Figure GPA00001158882300021
电解原理(参见图附录1)
含碘化锌溶液的电解示例(电极材料任意)
把两块金属板(电极)各自与电缆和产生直流电的装置(例如电池或整流器)连接，并把这些金属板放入装有水溶液(任意离子)的玻璃烧杯中，现在施加电压，以便在两个金属板上形成其离子存在于该溶液中的物质。
该电压源导致与正极(阳极)连接的电极缺乏电子，而在另一个与负极(阴极)连接的电极上电子过剩。该阴极和阳极之间的水溶液含有电解质，它是带正电或带负电的离子。带正电的阳离子在电解池中由于所施加的电压向带负电的阴极移动(相反的电荷相吸引)。在阴极上它们吸收一个或多个电子并因此被还原。
在阳极处进行相反的过程。那里带负电的阴离子给出电子，就是说，它们被氧化。阴极上还原所消耗的电子数与阳极所收集的电子数一致。食盐水溶液电解时出现氢气的体积数量与氯气的相同。水电解时出现的氢气是氧气的两倍，因为一个水分子的两个带正电的质子向阴极移动，并且必须各自接收一个电子以形成氢，而带双倍负电荷的氧阴离子在阳极处必须放出相等的两个电子，以便结合成氧分子。
必须向电解提供的最低电压称为分离电势，水或盐水溶液电解时还与分解电压相关。为了使电解从整体上得以进行，必须提供该电压(或者更高的电压)。对于每一种物质，对于每次从离子到双原子或多原子的分子的转变，可以根据氧化还原电势求出分解电压、分离电势。从氧化还原电势还可以获得许多其它重要的电解指标，例如用于酸中金属电极的电解分解或者用以通过改变pH值来降低分解电压。
例如通过氧化还原电势可以算出，在阳极处在碱性溶液中电解水时形成氧(分解电压：0.401V)，其电压比在酸性(分解电压：1.23V)或中性溶液(分解电压：0.815V)低，反之在阴极上在酸性条件下(较之中性或碱性条件下)更容易形成氢。
若在电解溶液中有多种可还原的阳离子存在，则按照氧化还原电位序列(Redoxreihe)，在该氧化还原电位序列(电位序列)中电位较正的(负得较弱的)阳离子在阴极上首先被还原，因此它使电极电压尽可能接近质子氢的0电位。在食盐水溶液电解时在阴极上一般形成氢而不是钠。存在多种可以被氧化的阴离子类型时，也是在氧化还原电位序列中尽可能接近电压零点的，因此具有正氧化还原电势较弱的阴离子首先进行。因此，在含水NaCl电解时，在阳极处一般出现氧而不是氯。超过该分解电压之后随着电压增大电流强度也成比例地增大。按照法拉第(Faraday)(定律)，电解形成的物质的重量与流过的电量(电流强度乘以时间)成正比。为了从水溶液形成1g氢(约11.2升，在氢分子形成时需要两个电子)需要96485C(As)＝1法拉第(Faraday)的电量。因此，在电极之间1A的电流强度下形成11.2升氢需时26小时又48分钟。
除了氧化还原电势以外，过电压(过电势)也是重要的。由于电极上的动力学抑制，人们往往需要比从氧化还原电势算出的高得多的电压。过电压效应可以随电极的材料性质而变，氧化还原电位序列也随之改变，使得不同于按照氧化还原电势预期的其它离子被氧化或还原。电解关闭之后不久，人们用电流计可以确定在另一方向上有一次电流偏转。在这个短的阶段中，出现与电解相反的过程，这形成了原电池。这里不为了转换而消耗电流，而是产生短时间的电流，燃料电池就利用这个原理。
当人们通过电解强制各个分子分离或结合时，原电池同时起作用，反抗其电解电压。这个电压亦称为极化电压。
电极
于是只有少数几种阳极(在电解期间保持惰性的电极)根本不进入溶液。铂、碳或金刚石是在电解期间根本不溶解的材料。还有尽管存在强的负氧化还原电势但不溶解的金属。这称为“钝性
Figure GPA00001158882300041
”。用浓硝酸处理过的铁阳极不溶解，而且铁(Ⅱ)或(Ⅲ)阳离子不进入溶液；它有“钝性”。
在金刚石和铂阳极上，人们观察到阳极上在氧形成时导致过电压的抑制现象(过电压
Figure GPA00001158882300042
：0.44V)。这时在食盐水溶液电解时出现氯而不是氧。在锌、铅(过电压：0.78V)和特别是汞阴极(0.80V)上，氢质子呈现相当高的过电压，而氢的形成只在高得多的电压下才进行。人们把氢在汞阴极上的相当高的过电压，利用于氢氧化钠水溶液的工业制造，其中钠结合为汞齐，并从而避开所述平衡。通过在该电极上相当高的过电压，在氢形成时氧化还原电位序列发生变化，并现在钠阳离子代替氢质子向汞阴极移动。
水的电解
水的电解由在两个电极上进行的两个部分反应组成。该电极浸入水中，通过添加些许食盐可以改善水的导电性，其中这时获得氯而不是氧。
带正电的水合氢离子(H3O+)在电场中向带负电的电极(阴极)移动，其中各自接收一个电子。这时，出现氢原子，后者与通过还原产生的其它H原子结合成氢分子。其余水分子保持不变
2H3O++2e-→H2+2H2O
它分离出来以气态在阴极上上升。
带负电的氢氧根离子向带正电的电极(阳极)移动。
每个氢氧根离子在正极上给出一个电子，以便出现氧原子，所述氧原子结合为氧分子，或在添加NaCl时结合为氯分子。
其余剩下的H+离子立刻从氢氧根离子中和为水分子。
4OH-→O2+2H2O+4e-
在这里分离出来的氧也作为无色的气体在该阳极上上升。水电解的总反应方程是：
4H3O++4OH-→2H2+O2+6H2O
在左侧出现的水合氢离子和氢氧根离子来源于水的自发质子传递作用(Autoprotolyse)：
8H2O→4H3O++4OH-
因此，电解方程还可以写成如下：
8H2O→2H2+O2+6H2O
或把水约简之后：
2H2O→2H2+O2
氢氧根离子
氢氧根离子是带负电的离子，它在碱与水反应时出现。其化学式是OH-。
一般碱B按下式与水反应：
Figure GPA00001158882300051
根据氢氧根离子的浓度可以求出所产生的溶液的pH值。为此人们才计算出人们所说的pOH值。
pOH＝-log c(OH-)
并由此计算出pH值：
pH＝k-pOH
对于每个温度都各自给出k值，
在正常条件下k＝-14。
所含的氢氧根离子即使在纯水中在20℃下浓度为10-7mol/l。这与水的自动质子传递作用如下列反应方程：
许可
该金刚石电极技术在电解中的创新应用不久前受到大学研究团队的在表面消毒的使用上大量关注。
我们的早期研究和研究结果已经得到FDA(美国食品及药物管理局(Foodand Drug Administration，USA))对认证要求的批准，其在2002年12月批准该新技术，并标识为“GRAS”(一般被认为安全)状态。
电解氧化水对于在食品范围内的一般应用、对于食品表面消毒、对于牛奶、肉类和餐馆工业应用，被FDA(美国食品及药物管理局(USA Food and DrugAdministration))、USDA(美国农业部(US Department of Agriculture))和EPA(美国环保局(USA Environmental Protection Agency))许可。
FDA和USDA的批准文号相应页号为21CFR 173，178，182，184&198。
EPA批准和公告页为40CFR 180.940，和国家有机法规项目(NationalOrganic Programs)的批准和公告页是21CFR 178.1010。
方法组件的描述
该方法包含下列技术辅助手段和方法步骤：
技术辅助手段
1.商售的高压净化装置，带或不带热水准备装置，优选带有0-20巴或更高的压力产生泵；所有部件不生锈，带有电的或其它的马达驱动装置，带有不同的阀门和喷嘴的喷枪。
2.电解发生器，带有一个或多个单室或者双室带隔膜的电解池；优选用不锈钢或塑料制成的泵；过滤器；流量计；压力调节装置，优选带有2个旋塞和2个压力表；水流量电子传感器；电子控制单元，带有时间控制的自动电极极性反转装置；氧化还原计；水储存仓，带有进水和出水旋塞；水管；单向止回阀。电子可编程控制单元，带有开关；电子水位控制装置，带有电子加水阀；接通和关断操纵杆；计时器和定时开关；高压清洁器的进水和排水管道。
借助于电解在盐水溶液中产生杀生物的氧化性自由基
含盐水溶液中杀生物的氧化性自由基可以通过2种不同的电解方法产生。
第一种方法借助于金刚石涂覆的电极的金刚石电解实现。其中产生接近“中性范围”，也即pH值为6.4至6.8的氧化性自由基混合液(Cocktail)。在阳极处除了OH-羟基和O3以外，尤其形成游离氯(Cl-)，它与羟基形成次氯酸盐(Hypochlorid)HOCl和次氯酸(Hypochlorid)H2OCl，它们非常快速地有机分解。为了在电流消耗方面有利地和更好进行水的电解，可以在水中掺加NaCl盐以改善电导率。
这种盐化合物电解时还产生氧化性分子诸如还原性的过二硫酸盐、过氧化二磷酸盐和过碳酸盐等。
NaCl盐浓度为每升水：优选0.5-8克或更多NaCl(食盐)。
该第二种方法用带隔膜的圆柱形电解池实现，其中电解池经由该隔膜彼此分离，由阳极室和阴极室组成。在铂制的正的阳极上形成形成酸的带负电的阴离子，所述阴离子在pH约为2.4的酸性范围并带负电荷，而在负的阴极上形成形成碱的正的阳离子，所述阳离子在pH约为11的碱性范围并带正电荷。
这两种酸性和碱性电解水溶液现在可以任意混合并根据用途在酸性范围或碱性范围应用。
在没有盐的纯水电解时，形成下列氧化性自由基：
水的电解过程
当水(H2O)被电解时，出现各种各样的氧化性自由基，例如：(E0是标准还原氧化电势)*：
O2+H+e-HO2E0＝-0.13V[1]
  2H++2e-H2E0＝0.00V[2]
  HO2+H++e-H2O2E0＝+1.50V[3]
  O3+2H++2e-O2+H2O E0＝+2.07V[4]
  OH-+H++e-H2O E0＝+2.85V[5]
  H2O+e-H+OH-E0＝-2.93V[6]
  OH+e-OH-E0＝+2.02V[7]
  加盐NaCl的水的电解过程
在阴极侧
  Na++e-Na
2Na+2H2O 2Na++2OH-+H2
在阳极侧
  2Cl--2e-Cl2
这里必须说明，Cl2(氯气)和OH-反应如下：
  Cl2+2OH-Cl O-+Cl-+H2O或
  Cl2+OH-HClO+Cl-
任务的解决
该任务通过专利的独立权利要求定义的特征解决。
按照本发明，提出一种借助于高压清洁装置，在使用经电解的冷水或温水的情况下，和借助于氧化性自由基对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法，该杀灭生物的类型和方式，特别是经电解的氧化水的独特特性、其制造、其盐的浓度和盐的组成、其氧化还原电势，或其游离氧化性自由基的浓度和氧化性自由基的总浓度、其pH值和借助于高压净化装置有效喷射过程用的消耗量。
按照本发明，除该方法外还指出在高压清洁器和电解发生器结合方面在制造氧化性自由基以及水储存仓用的深度净化和消灭细菌上的技术方案和应用。
本发明形成集成系统，其中氧化性自由基产生的技术组件、借助于水中氧化性自由基的电解产生和水储存仓中的中间储存、相应的应用技术与高压净化装置结合进行深度净化和表面、材料和物品的消毒集成在一起。这时，革新的重点不仅是高压清洁器与制造氧化性自由基用的电解设备的结合，而且在于新的方法和应用技术与高压应用带有氧化性自由基水溶液的结合，由于超快过氧化，不仅能够清洁而且能够消毒和甚至能够分解生物膜。
在多年的研究中得出了水中氧化性自由基的最优浓度和特定的高压和压力要求和处理时间，以便达到所有类型的表面、材料和表面完美的清洁和消毒。
本发明人在多年实验室和实际应用的研究和开发工作中，已经测试和完善了该新的方法，而且达到接近100％的效率。
根据本发明人的知识状态，在表面、材料和物品消毒领域，迄今尚不知晓借助于水电解产生的氧化性自由基作为针对病菌、霉菌、病毒和细菌等的杀生物剂与借助于高压应用结合作为深度作用的清洁和消毒技术的科学工作，迄今也尚未在任何地方把同类型的技术用于该同一目的。
本发明的实施方案
现就移动式消毒装置示例描述本发明，它优选由电解发生器、中间仓和包括带有可调节的喷嘴的高压喷枪的高压净化装置组成，安装在装备了能移动的橡胶轮的手推车的车架上。
移动式高压消毒和净化装置带有从水电解而获得的氧化性自由基，用来对表面、材料和物品的清洁和卫生化，由下列技术零件组成：
1.商售的高压净化装置
Figure GPA00001158882300081
没有热水准备装置，带有10巴压力产生泵和5升/分的功率；所有部分均不生锈，带有220V/50/60Hz电驱动装置，带有高压喷嘴的手枪式喷枪。参见附录1A
2.电解发生器，带有2个并联的单室电解池，带有硼掺杂金刚石电极，不锈钢制泵，汲取功率为600升/小时和4巴压力，带有50目的过滤器、直至900升/小时的流量计、优选带有2个旋塞和2个压力表的压力调节装置、水流量电子传感器、带有时间控制的自动电极极性反转装置的电子控制单元、氧化还原计、带有进水和出水旋塞的水储存仓、水管、单向止回阀。带开关的电子可编程控制单元、带有电子加水阀的电子水位控制装置、启动和停止操纵杆。计时器和定时开关、高压净化装置的进水和排水装置。参见附录1B
3.50升水容量的带盖板的中间仓、放空阀、带有旋塞的进水和出水管线，和连接到高压清洁器的连接软管。参见附录1C
4.装上橡胶轮胎的能移动的手推车作为安装结构底板设计。参见附录1D作为第一工作步骤把该装置接上220V电力网。
那就接通电解装置。
容积为50升的中间仓用正常硬度的贫化水装满，并视要求而定每升加入0.5至8克食盐，亦即，加入至多400克食盐(NaCl)。
预编程的电解单元现已通电。耐腐蚀泵(600升/小时)现在以10升/分泵送水通过电解池。在那里水通过金刚石电极(阴极/阳极)被电解，并产生氧化性自由基，后者导致在表面上超快过氧化，导致完全消毒和微生物被杀灭。
对水进行电解直至产生所希望的浓度。该经编程氧化还原监视装置自动进行开停切换，或定时开关控制电解装置。
当达到由要求的ORP值(氧化还原电势)确定的氧化性自由基希望浓度时，可以接通高压净化装置。
通过喷枪的枪柄上的压力可以启动高压喷射过程，用高压水射流处理待净化的表面。
还原性水的作用和肥皂产品一样，不仅清除脏物和细菌的生物保护膜，而且同样在数秒内通过杀死99.9％的所有微生物诸如病毒、革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、酵母菌、原生动物类等进行消毒。氧化性水有更长的作用时间，这有利于消毒强度。清洁是完美的并且不出现有毒的残余物。因此，该方法还可以应用于现场应用(CIP，Clean in Place)。
该用高压和氧化性自由基的清洁方法比其它每一种使用化学品的清洁方法都成本低廉。制造600升消毒溶液，能耗只等于600W/h。

Claims (6)

1.借助于高压清洁装置和电解发生器，在使用经电解的冷水或温水的情况下，借助于氧化性自由基，对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法和技术方案。
2.按照权利要求1的借助于高压清洁装置和电解发生器，在使用经电解的冷水或温水的情况下，借助于氧化性自由基对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法和技术方案，其特征在于，该技术方案优选，但非排它性地或非必须地，由下列组件组成：
1)商售的高压净化装置，带或不带热水准备装置，带有优选5-20巴或更高的压力产生泵；所有部件均不生锈，带有电的或其它的马达驱动装置、带有不同的阀门和喷嘴的喷枪；
2)电解发生器，带有一个或多个单室的或双室带隔膜的电解池；优选用不锈钢或塑料或其它适当的材料制成的泵；过滤器；流量计；压力调节装置，优选带有2个旋塞和2个压力表；水流量电子传感器；电子控制单元，带有时间控制的自动电极极性反转装置；氧化还原计；水储存仓，带有进水和出水旋塞；水管；单向止回阀；电子可编程控制单元，带开关；带有电子加水阀的电子水位控制装置；接通/关断操纵杆；计时器和定时开关；高压清洁器的进水和排水管道；接地电缆和带插头的电流导线；工作小时计数器；紧急开关和保险盒，
3)装配底板，优选是能移动的。
3.按照权利要求1和2的借助于高压清洁装置和电解发生器，在使用经电解的冷水或温水的情况下，借助于氧化性自由基，对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法和技术方案，其特征在于，该高压清洁器能够产生1-20巴或更高的压力，由不生锈部件组成，并带有带可调节高压喷嘴的喷枪。
4.按照权利要求1和2的借助于高压清洁装置和电解发生器，在使用经电解的冷水或温水的情况下，借助于氧化性自由基，对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法和技术方案，其特征在于，对于在水中产生氧化性自由基的方法，不仅能够使用金刚石电极类型，而且可以使用由铂或者合金和由其它适当的材料制成的电极类型，此外带有一个或多个电解池的该电解发生器能够设计为单室的或设计为双室带隔膜的圆柱形池。
5.按照权利要求1和2和3的借助于高压清洁装置和电解发生器，在使用经电解的冷水或温水的情况下，借助于氧化性自由基，对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法和技术方案，其特征在于，由高压清洁器、水的中间仓和电解发生器组成的整个应用系统形成了单元，它们通过管道彼此连接，并安装在平台上或在能移动的底板上或作为壁挂式模块安装。
6.按照权利要求1至5的借助于高压清洁装置和电解发生器，在使用经电解的冷水或温水的情况下，借助于氧化性自由基，对表面、材料和物品进行无化学品和残余物的清洁、卫生化、消毒和气味中和的方法和技术方案，其特征在于，该方法与高压和从含有盐离子的水电解产生的氧化性自由基例如，次氯酸盐、过氧化氢、臭氧、羟基、过二硫酸盐、过氧化二磷酸盐和过碳酸盐等相结合；在最低35ppm和更高的自由基总浓度下，不仅能够对表面、材料和物品进行清洁，而且能够对其进行消毒，并能够借助于超快过氧化形式的冷氧化达99.9％地消除微生物诸如病毒、革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、酵母菌、真菌、藻类和单细胞生物，而不在微生物或者病原体中形成抗性。
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